A más tardar desde que se otorgó el Premio Nobel de Física a la investigación sobre grafeno en 2010, los materiales 2D nanohojas con espesor atómico han sido un tema candente en la ciencia.
Este interés significativo se debe a sus excelentes propiedades, que tienen un enorme potencial para una amplia variedad de aplicaciones. Por ejemplo, combinados con fibras ópticas, los materiales 2D pueden permitir aplicaciones novedosas en las áreas de sensores, óptica no lineal y cuántica.Sin embargo, combinar estos dos componentes ha sido hasta ahora muy laborioso. Por lo general, las capas atómicamente delgadas tenían que producirse por separado antes de transferirse manualmente a la fibra óptica. Junto con colegas australianos, los investigadores de Jena ahora han logrado por primera vezen el cultivo de materiales 2D directamente en fibras ópticas. Este enfoque facilita significativamente la fabricación de dichos híbridos. Los resultados del estudio se publicaron recientemente en la revista sobre ciencia de materiales Materiales avanzados .
Crecimiento mediante un procedimiento tecnológicamente relevante
"Integramos dicalcogenuros de metales de transición, un material 2D con excelentes propiedades ópticas y fotónicas que, por ejemplo, interactúa fuertemente con la luz, en fibras de vidrio especialmente desarrolladas", explica el Dr. Falk Eilenberger de la Universidad de Jena y FraunhoferInstituto de Óptica Aplicada e Ingeniería de Precisión IOF en Alemania. "A diferencia del pasado, no aplicamos la hoja de medio nanómetro de espesor manualmente, sino que la cultivamos directamente sobre la fibra", dice Eilenberger, especialista en el campo denanofotónica. "Esta mejora significa que el material 2D se puede integrar en la fibra más fácilmente y a gran escala. También pudimos demostrar que la luz en la fibra de vidrio interactúa fuertemente con su recubrimiento". El paso a una aplicación prácticaporque el nanomaterial inteligente así creado ya no está muy lejos.
El éxito se ha logrado gracias a un proceso de crecimiento desarrollado en el Instituto de Química Física de la Universidad de Jena, que supera los obstáculos anteriores. "Al analizar y controlar los parámetros de crecimiento, identificamos las condiciones en las que el material 2D puedecrecen en las fibras ", dice el profesor Andrey Turchanin, experto en materiales 2D de Jena, al explicar el método basado en técnicas de deposición química de vapor CVD. Entre otras cosas, se necesita una temperatura de más de 700 grados Celsius para el crecimiento del material 2D.
plataforma de material híbrido
A pesar de esta alta temperatura, las fibras ópticas se pueden utilizar para el crecimiento directo de CVD: "El vidrio de cuarzo puro que sirve como sustrato soporta las altas temperaturas extremadamente bien. Es resistente al calor hasta 2000 grados Celsius", dice el Prof. Markus A. Schmidt del Instituto Leibniz de Tecnología Fotónica, quien desarrolló las fibras. "Su pequeño diámetro y flexibilidad permiten una variedad de aplicaciones", agrega Schmidt, quien también tiene una cátedra de fibra óptica en la Universidad de Jena.
La combinación de material 2D y fibra de vidrio ha creado una plataforma de material inteligente que combina lo mejor de ambos mundos ". Debido a la funcionalización de la fibra de vidrio con el material 2D, la longitud de interacción entre la luz y el material ahora ha sido significativamenteaumentado ", dice el Dr. Antony George, que está desarrollando el método de fabricación de los nuevos materiales 2D junto con Turchanin.
Sensores y convertidores de luz no lineales
El equipo prevé aplicaciones potenciales para el sistema de materiales recientemente desarrollado en dos áreas particulares. En primer lugar, la combinación de materiales es muy prometedora para la tecnología de sensores. Podría usarse, por ejemplo, para detectar concentraciones bajas de gases. Con este fin, unLa luz verde enviada a través de la fibra recoge información del entorno en las áreas de fibra funcionalizadas con el material 2D. A medida que las influencias externas cambian las propiedades fluorescentes del material 2D, la luz cambia de color y regresa a un dispositivo de medición como luz roja.Las fibras son muy finas, los sensores basados en esta tecnología también pueden ser adecuados para aplicaciones en biotecnología o medicina.
En segundo lugar, este sistema también podría usarse como un convertidor de luz no lineal. Debido a sus propiedades no lineales, la fibra óptica híbrida se puede emplear para convertir una luz láser monocromática en luz blanca para aplicaciones de espectroscopía en biología y química.Los investigadores de Jena también prevén aplicaciones en las áreas de electrónica cuántica y comunicación cuántica.
cooperación interdisciplinaria excepcional
Los científicos involucrados en este desarrollo enfatizan que el éxito del proyecto se debió principalmente a la excepcional cooperación interdisciplinaria entre varios institutos de investigación en Jena. Basado en el grupo de investigación de Turingia "2D-Sens" y el Centro de investigación colaborativo "Nonlinear Optics downto Atomic Scales "de la Universidad Friedrich Schiller, expertos del Instituto de Física Aplicada y del Instituto de Química Física de la Universidad de Jena; el Centro Abbe de Fotónica de la Universidad; el Instituto Fraunhofer de Óptica Aplicada e Ingeniería de Precisión IOF; y el Instituto Leibniz dePhotonic Technology está colaborando en esta investigación, junto con colegas en Australia.
"Hemos aportado experiencia diversa a este proyecto y estamos encantados con los resultados obtenidos", dice Eilenberger. "Estamos convencidos de que la tecnología que hemos desarrollado fortalecerá aún más el estado de Turingia como centro industrial con su enfoque en la fotónicay optoelectrónica ", añade Turchanin. Recientemente se ha presentado una solicitud de patente para la invención del equipo interdisciplinario.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Friedrich-Schiller-Universitaet Jena . Original escrito por Sebastian Hollstein. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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